研究簡介:從微生物的角度來看，土壤在含水量、基質和電子受體的可用性方面是一個異質的基質。在反硝化過程中，硝酸鹽（NO3?）被順序還原為二氮化物（N2）時，一氧化二氮（N2O）作為中間產物被產生，或通過硝化菌反硝化產生。反硝化細菌是一種兼性厭氧生物，其在N-氧化物存在的情況下通過降低O2濃度來誘導參與反硝化的酶的合成。土壤微環境中的O2濃度對于反硝化和N2O生成的控制至關重要，特別是在存在電子供體和氮氧化物的農業土壤中。由于土壤基質在時間和空間上的異質性，O2可用性和N2O生成點的小尺度分布在實踐中可能難以檢測和評估。直接在小型土壤聚合體（20-25毫米）中以亞毫米分辨率使用聯合O2和N2O微電極傳感器直接測量O2和N2O濃度，從而揭示N2O是在土壤聚合體內的無氧區域產生的。在模擬肥料注入的系統中，Petersen等人研究了微生物過程和氮循環。盡管這些研究非常詳細，但未分析微尺度上的N2O形成。


本研究的目的是調查由液體豬糞注入引起的無氧區域的大小、形狀和持續時間如何控制N2O的產生和排放。為此研究人員監測了從土壤表面的N2O排放以及土壤中O2和N2O的空間分布，分辨率為毫米，還測量了可能參與N2O產生的NO3-和NH4+。


Unisense微電極系統的應用


使用具有保護陰極的Clark型O2微傳感器和一種對O2不敏感的Clark型N2O微電極傳感器，在注肥后的3–7、23–27、46–51和67–74小時記錄了O2和N2O的垂直剖面。為了避免在引入土壤矩陣深處時傳感器尖端斷裂，傳感器尖端的玻璃壁非常厚，使外部尖端直徑較大，為90–120微米。傳感器的下部延伸到10–15厘米，外徑約為2–3毫米（用于O2）和4–5毫米（用于N2O）。所有傳感器的攪拌靈敏度均小于2％。使用SensorTrace Pro軟件（Unisense A/S，Aarhus，丹麥）通過計算機控制的微操縱器將傳感器引入土壤，并存儲數字化的傳感器信號。兩個O2或兩個N2O微電極傳感器在電機雙持架微操縱器（Unisense A/S）中的深度對齊，其尖端之間的水平距離為3厘米。通過將傳感器移動到剛好位于土壤表面之上，并以0.2到10毫米的步長在土壤中制作剖面，使傳感器上移動到下一個測量深度之前，將程序設置為等待10或30秒O2或N2O。


實驗結果


描述了液體糞便注入后土壤中O2耗盡時的N2O熱點事件。這一缺氧事件涉及順序的N2O凈產生、積累、排放，最終N2O還原為N2。在注入糞便時，創建了一個由土壤和糞便組成的直徑約6厘米的飽和圓柱核心，幾小時內O2消失，現有的NO3-池在幾天內發生反硝化。最初由于NO3-相比于N2O還原速率較大，導致缺氧核心內發生凈N2O產生。由于擴散系數有限且擴散距離較長，N2O被保留在核心內并在時間上積累。這種保留使N2O的排放相對于凈產生而言延遲，并誘導了后期N2O凈還原的時期。然而，相等大小的缺氧土壤體積，以小缺氧站點而不是一個致密核心的形式分散，將允許更快地將N2O排放到大氣中，從而減少初始保留和后來的N2O減少。

圖1、糞便施用前土壤中兩個相同的O2剖面

圖2、注射后22小時和49小時土壤中O2分布的橫截面區域。沿核心中心（0厘米）、1.5、3和4厘米遠的垂直O2剖面。土壤中通氣的O2分壓（O2>15.9千帕；空心圓圈）。土壤中減少的O2分壓（0.35千帕＜O2<15.9千帕；實心灰色圓圈）。缺氧土壤條件（O2<0.35千帕；實心黑色圓圈）。

圖3、時間序列剖面顯示O2（面板a-d）和N2O（e-h），通過核心中心垂直測量。（i-l）說明了所有O2<0.35千帕測量的百分比。每個條形表示一個深度間隔的所有剖面的所有數據點（圖i，n=2；圖j，n=11-16；圖k，n=5-7；圖l，n=12-60）。

圖4、N2O的排放。（a）通過封閉室法測量的糞便施用土壤中N2O估計的排放速率（黑色），或通過方程（1）從N2O微剖面計算得出的排放速率（灰色）。條形圖表示最大和最小測量值（n=2），除了27小時后之后的灰色（n=3）和47小時后的灰色（n=6），其中條形圖表示SD。（b）根據測得的N2O排放速率（實線）或根據N2O剖面計算的累積排放（虛線）計算。

圖5、模型描述了N2O積累的時間發展，通過凈N2O產生（黑點）和后來由于凈還原而耗盡N2O（白點）。


結論與展望


土壤中一氧化二氮（N2O）的排放是土壤中N2O產生和消耗過程的凈結果，研究這些過程在真實土壤環境中的調節對于理解控制N2O排放的因素至關重要。在這項研究中，科研人員研究了土壤中O2和N2O的微觀分布，以描述土壤中N2O的產生和排放是如何受到注入液體肥料產生的缺氧體積的調節的。開發了一種模擬田間注射方法的應用裝置，并將液態豬糞以5cm的深度注射到裝有土壤的盒子中。尖端直徑小于0.12 mm的微型傳感器用于測量高分辨率的垂直N2O和O2濃度剖面，該剖面穿過水平定位的土壤糞肥芯的中心，橫向距離中心4 cm。每天在密閉室中進行微傳感器測量和N2O排放率測定。注入的糞肥填充了6厘米寬的圓柱形芯的原始充氣孔隙空間，并造成缺氧。在巖心的缺氧部分檢測到一氧化二氮，表明在整個缺氧體積中通過反硝化產生N2O。在實驗的所有3天內，巖芯中都存在缺氧現象，但在1天后檢測到凈N2O產生的峰值速率，巖芯中N2O的最大積累為500–700 Pa。對累積N2O凈產量和排放量的比較顯示，N2O排放延遲，因為N2O被困在飽和堆芯內。